Экологічні фактори

Параграф 3.1

Формулювання поняття екологічних факторів. Класифікація екологічних факторів. Біотичні і абіотичні фактори екосистеми. Зовнішні та внутрішні фактори. Їх звязок та ознаки. Основні екологічні фактори екосистеми.

Життя організмів в екосистемі відбувається під дією різноманітних екологічних факторів стосовно її біотичних і абіотичних. компонентів. Усі вони в своїй сукупності складають середовище мешкання. Екологічні фактори можуть бути необхідними або шкідливими для живих істот, сприяти або перешкоджати їх виживанню та розмноженню. Різні організми по-різному реагують на ті ж самі екологічні фактори . Адаптація до існування в різних умовах виробилося у організмів історично.

Усі екологічні фактори розділяються на три великі групи: абіотичні, біотичні та антропогенні.

Абіотичні фактори – це сукупність важливих для організмів властивостей неживої природи.До цих факторів можна віднести хімічні (склад атмосфери, води, грунтів), фізичні (температура, тиск, вологість, течії, тощо), кліматичні (сонячне світло, температура, вологість), географічні (довжина дня та ночи, характер місцевості), гідрологічні (склад та властивості поверхневих вод), едафічні фактори середовища.

ЕДАФІЧНІ ФАКТОРИ – властивості земної поверхні, які оказують вплив на її мешканців (грунтові води, концентрація солей у воді, кислотність, товщина родючого шару грунту, тощо) .

Біотичні фактори – це сукупність впливів життєдіяльності одних організмів на інші. Для кожного організма всі інші – важливі фактори середовища мешкання, вони оказують на нього не меншу дію, ніж нежива природа. Ці фактори дуже різноманітні. Усю різноманітність взаємовідносин між організмами можна розділити на два основних типи: антагоністичні та неантагоністичні.

Антагоністичні – це такі відносини, при яких організми двох видів подавляють одне одного , або один з них подавляє іншого без збитку для себе. Основні форми цього виду біотичних відносин: хижацтво, паразитизм та конкуренція.

Хижацтво – форма взаємовідносин організмів різних трофічних рівней, при якій один вид організмів живе за рахунок іншого, поїдаючи його (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. – Хижацтво

В будь-якому біоценозі еволюційно сформувалися механізми, що регулюють кількість і хижаків, і жертв. Знищення хижаків часто призводить до зниження життєстійкості їх жертв і наносить збитки і природі, і людині.

Паразитизм – міжвидові взаємовідносини, при яких один вид живе за рахунок іншого, оселяючись всередині або на поверхні тіла організма-господаря (рис.3.2). Паразитизм найбільш розповсюджений серед рослин та тварин – простіших, хробаків, грибів, бактерій.

Рисунок 3.2 – Паразитизм

Конкуренція. – форма взаємовідносин, при яких організми одного трофічного рівня борються за харч та інші умови існування, подавляючи одне одного (рис. 3.3). Таі взаємовідносини найбільш характерні для рослин.

Рисунок 3.3. – Конкуренція

Чим більша схожість в потребах двох видів до умов життя, тим сильніше конкуренція, яка навіть може призвести до зникнення одного з них

Антагоністичні відношення виявляються сильніше на початкових стадіях розвитку угрупування. В процесі розвитку екосистем спостерігається тенденція до заміни негативних взаємодій позитивними, що підвищують виживання виду.

Неантагоністичні взаємовідносини можна розділити на три основні групи: симбіоз, мутуалізм та коменсалізм.

Симбіоз – це взаємовигідні, але не обов’язкові взаємовідносини різних видів організмів. Приклад симбіозу – спільне життя рака-відшельника та актінії: актінія рухається за рахунок рака, а той одержує завдяки актінії більш багатий харч та захист (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Симбіоз

Мутуалізм – взаємовигідні та обов’язкові для роста та виживання відносини організмів різних видів (рис. 3.5). Наприклад, при розповсюдженні пильці рослин комахами в обох видів виробилися специфічні пристосування: колір та запах у рослин, будова хоботку у комах.

Рисунок 3.5. – Мутуалізм (092)

Коменсалізм - взаємовідносини, при яких один з партнерів одержує користь, а другому вони байдужі. Наприклад, птахи та тварини, які споживають залишки харчу хижаків ( рис. 3.6).

Рисунок 3.6 – Коменсалізм

Іноді дуже важко провести кордон між симбіозом та мутуалізмом , між коменсалізмом та паразитизмом, а також між іншими взаємодіями. Проте, читко спостерігається тенденція переходу в процесі еволюції від паразитизма до коменсалізма та мутуалізма, тому що в умовах, коли лімітовані деякі ресурси, кооперація дає переваги.

Незважаючи на конкуренцію та інші типи антагоністичних відносин, в природі багато видів можуть спокійно жити поряд (рис. 3.7). В такому разі говорять, що кожний вид має власну екологічну нишу.

Рисунок 3.7 – Мирне спільне життя різних організмів

ЕКОЛОГІЧНА НИША – це сукупність теріторіальних і функціональних характеристик середовища мешкання, що відповідають потребам даного виду.

Близькі організми, які мають схожі потреби до середовища мешкання(125), не живуть,як правило, в одних умовах. Якщо ж вони живуть в одному місці, то або використовують різні ресурси, або мають іншшу різницю у функціях.

Іноді замість терміну “екологічна ниша” використовують термін “середовище мешкання”, але останній вміщує лише простір мешкання, а екологічна ниша, крім того, визначає функцію, яку виконує вид , тобто середовище мешкання – це адреса, а екологічна ниша – це професія організму.

Рисунок 3.8 – Екологічні ниші

Іноді зустрічається інша класифікація екологічних факторів, згідно з якою усі вони поділяються на дві великі групи:

-зовнішні(екзогенні), дія яких викликає зміни в екосистемі, а самі вони при цьому не змінюються, не відчувають на собі зворотньої дії екосистеми (сонячне світло, напрямок вітру, тиск, температура, тощо);

-внутрішні (ендогенні) – їх можна співставити з властивосятми екосистеми і вони утворюють її склад (кількість популяцій, характеристика шару атмосфери, що розташований впритул до земної пверхні, характеристики води, грунту, тощо).

В більшості випадків зовнішні фактори співпадають з абіотичними, а внутрішні – з біотичними, хоч іноді й бувають виключення.

Організми екосистеми неоднаково відгукуються на сукупність екологічних факторів. Різноманітні пристосування живих організмів до умов навколишнього середовища здійснюється трьома шляхами:

-активний шлях – посилення опору, розвиток регуляторних систем, які дозволяють здійснювати життєві функції організму (подовшання коріння рослин при несприятливих умовах, наприклад при засусі);

-пасивний шлях – підпорядкування усіх життєвих функцій організмі умовам середовища (наприклад, пригнічення росту);

-уникнення несприятливих умов (наприклад, тварини залишають теріторію, де створилися несприятливі умови.

Основні екологічні фактори.

Світло (сонячна радиація).Усім живим організмам потрібна енергія, яка надходить на Землю зовні. Основним джерелом енергії є Сонце, енергії якого належить 99,9% в загальному енергетичному балансі Землі. Розподіл енергії на земній кулі наступний: якщо прийняти сонячну енергію, яка досягає Землі за 100%, то приблизно 19% її поглинається атмосферою, 34% віддзеркалюється назад у Космос і 47% досягає земної поверхні у вигляді прямої(31%) та розсіяної (16%) радиації. Пряма сонячна радиація – це електромагнітне випромінювання з довжиною хвиль 0,1-30000нм. На ультрафіолетову(УФ) частину спектру припадає 1-5%, на видиму – 16-45%, на інфрачервону (ІЧ) – 49-84% потоку радиації, що падає на Землю. Розподіл енергії за спектром суттєво залежить від маси атмосфери і змінюється при різних висотах Сонця. Кількість розсіяної радиації (віддзеркалене проміння) зростає із зростанням висоти Сонця та мутності атмосфери. Спектральний склад розсіяної радиації безхмарного неба характеризується максимумом енергії в області 400.480 нм.

Видиме світло, інфрачервоне та ультрафіолетове віпромінювання розрізняються за біологічною дією. Серед УФ проміння до поверхні Землі досягають тільки довгохвильове (290-380нм), а короткохвильове, згубне для всього живого, практично повністю поглинається на висоті біля 20-25км озоновим екраном – тонким шаром атмосфери, що містить молекули О₃. Великі дози довгохвильового ультрафіолету шкідливі для організму, а невеликі – необхідні багатьом видам. В диапазоні 250-400нм УФ проміння викликає потужну бактерицидну дію, утворення в організмі вітаміну D. При довжині хвилі 200-400нм викликають у людини загар. Інфрачервоні проміні з довжиною хвилі більше 750 нм викликають теплову дію.

Видиме світло несе в собі біля 50% сумарної енергії. З областю видимої радиації, яка вловлюється людсссським оком, співпадає фізіологічна радиація з довжиною хвилі 300-800нм, в межах якої можна виділити область фотосинтетичної діяльності рослин (380-710нм), проте особливе значення видиме світло має в повітряному харчуванні рослин, в адаптації їх до світлового режиму. В зв’язку з цим існують світлолюбні рослини (геліофіти); тінелюбні рослини(сцеофіти), факультативні рослини, які адаптуються в будь-яких умовах.

З впливом світла на живі організми зв’язано таке явище як фотоперіодизм.

Фотоперіодизм – це реакція організмів на сезонні зміни довжини дня.

Його проявлення залежить не від інтенсивності світу, а лише від ритму чергування темного й світлого періодів доби. Фотоперіодизм живих організмів має велике значення для пристосування їх до несприятливих умов, або навпаки, до більш активної життєдіяльності. Ритм дня і ночі виступає як сигнал наближаючихся змін кліматичних факторів (температури. вологості, тощо), що сильно впливають на організм. Вважається, що фотоперіодизм – це реакція організма на майбутнє.

Температура. Від температури середовища залежить температура організмів та швидкість хімічних реакцій, що обумовлюють обмін речовин. Тому межі існування життя – це температури, при яких можливо нормальне функціонування білків (0-50^о). Проте. деякі організми мають специфічні ферментні системи і пристосовані для існування при температурі, яка не входить в цей діапазон. Деякі види (кріофіли) існують при -8 – -10^оС, коли рідина їх тіла переохолоджується. Це, в основному, бактерії та гриби. Є види - термофіли - які живуть при високих температурах. Це кліщи, деякі личинки комах, спори деяких бактерій. Вони витримують короткочасне нагрівання майже до 180^оС. В процесі еволюції у живих організмів сформувалися різноманітні системи пристосуванн, які дають можливість контролювати обмін речовин:

-різноманітні біохімічні перебудови – зміни ферментів, зневоджування, змінення точки замерзання рідини;

-підтримування температури тіла на постійному рівні, що дає можливість не порушувати хід біохімічних реакцій.

Вологість. Протікання всіх біохімічних процесів в клітинах інормальне функціонування організма загалом можливі тільки при достатньому забезпеченні його водою – необхідною умовою життя. Підтримування водного балансу має велике значення для всіх живих організмів. Проблеми водозабезпечення особливо важливі для мешканців суші. Особливості підтримування водного балансу організмів залежать від того, в яких екологічних обставинах вони мешкають, який спосіб життя ведуть, наскільки можуть використовувати різноманітні джерела вологи й утримувати воду в своєму тілі.

Питання для самоконтролю

Питання 3.1. Чи можна вважати, що екологічні фактори оказують шкідливу дію на організми екосистеми:

Так.

Ні.

Питання 3.2. Чи можна віднести едафічні екологічні фактори до абіотичної групи екологічних факторів:

Так.

Ні.

Питання 3.3. Чи можна віднести взаємний вплив організмів одне на одного віднести до біотичних факторів?

Так.

Ні.

Питання 3.4. Чи можна вважати. що хижацтво, коли один вид організмів поїдає інший без збитків для себе, негативним для природи явищем?

Так.

Ні.

Питання 3.5. Чи можна сказати, що паразитизм біль вигідний вид взаємовідносин для організмів ніж коменсалізм?

Так.

Ні.

Питання 3.6. Чи можна сказати, що всі абіотичні фактори середовища належать до абіотичних?

Так.

Ні.

Питання 3.7. Чи можна вважати. що ультрафіолетове випромінювання Сонця не досягає поверхні Землі, а затримується озоновим шаром на висоті 20-25 км?

Так.

Ні.

Параграф 3.2.

Лімітуючи фактори. Принцип мінімума Лібіха. Толерантність. Загальна концепція лімітуючих факторів. Приклади лімітуючих факторів та їх головні відзнаки. Основні лімітуючи фактори екосистеми.

В середині XIX сторіччя, а саме, в 1840 році німецький вчений Ю.Лібіх висловив ідею, що здатність організмів до виживання визначається найслабкішою ланкою в ланцюгу його екологічних потреб. Він досліджував вплив різних речовин на розвиток рослин і знайшов, що врожай рослин залежить не від тих елементів харчування, яких треба у великих кількостях (наприклад,СО₂ і Н₂О), а від тих, які хоч і потрібні рослинам в менших кількостях, але практично відсутні в грунті, або важкодоступні (наприклад, цинк, фосфор, бор). Далі вчений встановив, що й багато інших екологічних факторів можуть обмежувати розвиток організмів, наприклад, тепло, світло та ін. Цю закономірність Ю. Лібіх сформулював так: “Екосистема керується фактором, якого є мінімум, і той фактор, що є в мінімумі, визначає стійкість екосистеми в часі”. Пізніше цей висновок став відомим як принцип мінімуму Лібіха .

ПРИНЦИП МІНІМУМУ ЛІБІХА – розвиток екосистеми залежить від тих факторів природного середовища, значення яких наближається до екологічного мінімуму.

Наступні дослідження показали, що закон мінімума має два обмеження, які слід враховувати при практичному використання.

Перше обмеження полягає в тому, що принцип мінімума Лібіха діє лише в умовах стационарного стану системи. Наприклад, в деякому водоймищі ріст водоростей обмежується в природних умовах нестачею фосфатів (фосфор – це біогенний елемент, який є важкодоступним в природних умовах). Сполуки азоту при цьому вміщені в воді в достатній кількості. Якщо в це водоймище почнуть скидати стічні води з високим вмістом мінерального фосфору, то водоймище почне “цвісти”. Цей процес буде посилюватися до тих пір, поки кількість одного з елементів не зменшиться до мінімуму і стане лімітуючим. Це може біти будь-який ц цих двох елементів. В перехідний же момент, коли азоту ще достатньо, а фосфору вже достатньо, ефекту мінімума не спостерігається, тобто ні один з елементів не впливає на розвиток водоростей.

Друге обмеження зв’язано із взаємодією кількох факторів. Іноді організм здатний замінити (навіть частково) дефіцитний елемент іншим, хімічно близьким. Так, в місцевостях, де багато стронція, в мушлях молюсків він може замінити кальцій, коли останнього недостатньо. Або, наприклад, потреба в цинку у деяких рослин знижується, якщо вони ростуть в тіні. Отже, низька концентрація цинка менше буде лімітувати рост рослин в тіні, ніж на сонці. В цих випадках лімітуюча дія навіть недостатньої кількості того чи іншого елементу може не виявлятися.

Пізніше, вже в 1913 році англійський біолог В. Шелфорд звернув увагу на те, що лімітуючим фактором може бути не тільки нестача, але й надлишок екологічних факторів, тобто екосистеми характеризуються не тільки екологічним мінімумом, але й екологічним максимумом. Надлишок тепла, вологи, світа і навіть споживних речовин може стати таким же шкідливим і згубним, як і їх нестача. Диапазон між екологічним мінімумом та екологічним максимумом – це межі толерантності.

Закон толерантності Шелфорда можна сформулювати так.

ЗАКОН ТОЛЕРАНТНОСТІ ШЕЛФОРДА – ростання і розвиток організмів залежать в першу чергу від тих факторів середовища, значення яких наближається до екологічного мінімуму або екологічного максимуму, тобто , до меж толерантності.

Закони Ю. Лібіха та В. Шелфорда допомогли зрозуміти багато явищ, зв’язаних з розподілом організмів в природі.

Було встановлено наступне:

-організми з широким діапазоном толерантності до усіх факторів широко розповсюджені в природі і часто бувають космополітами. Наприклад, патогенні бактерії;

-організми можуть мати широкий диапазон толерантності відносно одного фактора і вузький диапазон толерантності відносно другого. Наприклад, людина більш чутлива до відсутності води, ніж до відсутності харчу, тобто межі толерантності відносно води більш вузьки, ніж відносно харчу;

-якщо умови з одного екологічного фактору стають неоптимальними, то можуть змінитися й межі толерантності й інших факторів. Наприклад, при нестачі азоту в грунті, рослинам треба значно більше води;

-межі толерантності, що спостерігаються в природі, менші, ніж потенціальні можливості організма адаптуватися до даного фактора. Пояснити це явище можна тим, що в природі користуватися оптимальними фізичними умовами середовища заважають біотичні відношення (конкуренція), наявність хижаків). Людина краще реалізує свої потенційні можливості і здібності в сприятливих умовах (наприклад, на спецціалізованих зборах спортсменів, тощо);

-межі толерантності у організмів, що розмножуються, а також у потомства менші, ніж у дорослих організмів, тобто самки в період розмноження та їх потомство більш чутливі до умов життя, ніж дорослі організми;

-екстремальні (стресові) значення одного з факторів призводять до зниження меж толерантності других факторів. Якщо в річку скидається нагріта вода, то риби т інші організми витрачають майже всю енергію на боротьбу з цим стресом. Їм не вистачає енергії на добування харчу, на захист від хижаків, розмноження, що поступово призводить до загибелі вид.

Отже , існування і процвітання організмів в будь-якому середовищі мешкання залежить від великого комплекса умов.

Будь-яка умова, від якої залежить присутність і розвиток організму в даному місці мешкання, і яка наближається до меж толерантності або виходить за ці межі називається лімітуючим фактором.

Якщо поєднати ідею мінімума і концепцію меж толерантності, можна одержати загальнц корисну концепцію лімітуючих фаторів, згідно з якою в природі організми залежать від:

-вмісту необхідних речовин і стану критичних фізичних факторів середовища;

-диапазона толерантності самих організмів до цих чи інших компонентів середовища.

Цінність концепції лімітуючих факторів полягає в тому,що вона дозволяє розібратися в складних взаємозв’язках в екосистемі. Не всі можливі екологічні фактори регулюють взаємовідношення між середовищем, організмами і людиною. Наприклад, вміст кисню в наземних середовищах мешкання велике і його достатньо для організмів, тому практично ніколи не буває лімітуючим фактором за виключенням високогір’я та деяких антропогенних систем. А у воді він часто є фактором, що лімітує розвиток живих організмів, тому що його розчиненість у воді обмежена (6-12 мг/л). І це при тому, що кисень для наземних організмів такий же важливий, як і для водних.

Лімітуючи фактори визначають також і географічний ареал виду. так, рух організмів на північ лімітується нестачею тепла. Біотичні фактори також часто обмежують розповсюдження тих чи інших організмів. наприклад, завезений із середземномор’я в Каліфорнію інжир не давав плодів до тих пір, поки тудине був завезений особливий вид оси, що єдина опилює цю рослину. Виявлення лімітуючих факторів дуже важливо в багатьох видах діяльності, особливо, в сільському господарстві. Якщо спрямовано впливати н лімітуючи умови, можна швидко й ефективно підвищувати врожаї рослин і поголів’я тварин. Так, при розведенні пшениці н кислих грунтах ніякі агрономічні заходи не дадуть ефекту, якщо не застосувати вапнування, яке знизить обмежуючу дію кисліт. Отже, знання лімітуючих факторів дає ключ до управління екосистемами.

Приклади лімітуючих факторів.

Пожежі.Як антропогенний фактор оцінюються частіше тільки негативно. Дослідження останніх 50 років показали, що природні пожежі можуть бути частиною клімату деяких наземних місцях мешкання. Вони впливають на еволюцію рослин та тварин. Біотичні угрупування навчилися компенсувати цей фактор і адаптуються до нього, як до температури та вологості. Пожежу можна розглядати та вивчати як екологічний фактор поряд з температурою, опадами і грунтом.При вірному використанні вогонь може бути цінним екологічним інструментом. Деякі пожежі сприяють розвитку організмів з високою толерантністю до їх наслідків. Вони можуть бути природними, або спровокованими людиною. Наприклад, планове спалювання в лісі використовується з метою усунути конкуренцію для цінної болотяної сосни з боку листвяних дерев. При відсутності пожеж листвяний ліс заглушує сосну, а також бобові та злакові. Болотяна сосна, на відзнаку від листвяних дерев, стійка до вогню, тому що верхівка її захищена довгими голками, що пагано горять.

Антропогенний стрес також може розглядатися як своєрідний лімітуючий фактор. Природні екосистеми в значній мірі здтні компенсувати антропогенний(013) стрес. Можливо, що вони від природи адаптовані до гострих периодичих стресів. А багато організмів потребують випадкових порушуючих дій, таких як пожежі й урагани, які сприяють їх тривалої стійкості. Антропогенний(013) стрес умовно розділяють на гострий та хронічний. Для першого характерні різкий початок, швидке протікання і невелика тривалість. При другому – порушення невисокої інтенсивності продовжуються довго, або повторюються. Природні системи часто мають достатню здатність боротися з гострим стресом. Наприклад, стратегія насіння, щоперебуває в стадії покою, дозволяє лісу швидко відновитися після пожежі. Наслідки хронічного стресу можуть бути більш важкими, тому що реакції на нього не виникають одразу ж. Можуть пройти роки, поки зміни в організмах будуть помічені. Так, зв’язок між палінням та раком легенів був помічений лише кілька десятків років тому, хоч існував завжди.

Питання для самоконтролю

Питання 3.8. Чи можна сказати, що лімітуючим фактором в екосистемі є найважливіший екологічний фактор?

Так.

Ні.

Питання 3.9. Чи можна вважати, що лімітуючими факторами в екосистемі є ті екологічні фактори, яких в екосистемі є мінімум?

Так.

Ні.

Питання 3.10. Чи можна вважати, що коли організм має широкі межі толератності до одного фактора середовища, то це стосується й інших факторів?

Так.

Ні.

Питаня 3.11. Чи можна сказати, що висень в наземних екосистемаї є лімітуючим фактором?

Так.

Ні.

Питання 3.12. Чи можна вважати пожежі лімітуючим фактором?

Так.

Ні.